控裝課程設(shè)計(jì)除氧器水位單回路控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、 課程設(shè)計(jì)報(bào)告( 2013 - 2014學(xué)年度第2學(xué)期 ) 名 稱： 控制裝置及儀表課程設(shè)計(jì) 題 目： 除氧器水位單回路控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 院 系： 自動(dòng)化系 班 級(jí)： 自動(dòng)化1104班 學(xué) 號(hào)： 日期：2014年6月27日除氧器水位單回路控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)一、課程設(shè)計(jì)的目的與要求1、了解過程控制方案的原理圖表示方法（SAMA圖）。2、掌握數(shù)字調(diào)節(jié)器KMM的組態(tài)方法，熟悉KMM的面板操作、數(shù)據(jù)設(shè)定器和KMM數(shù)據(jù)寫入器的使用方法。3、初步了解控制系統(tǒng)參數(shù)整定、系統(tǒng)調(diào)試的過程。二、設(shè)計(jì)正文1、由控制要求畫出控制流程圖。對(duì)如圖1所示的除氧器水位單回路控制系統(tǒng)，要求對(duì)除氧器進(jìn)行單變量定值控制。除氧器水位經(jīng)水位變送

2、器測(cè)量后，由KMM模入通道送至調(diào)節(jié)器中。調(diào)節(jié)器輸出AO1經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換通道控制調(diào)節(jié)閥，控制除氧器內(nèi)水位。圖1 控制要求：當(dāng)調(diào)節(jié)器的給定值SP和測(cè)量值PV之偏差超過給定的監(jiān)視值（15%）時(shí)，調(diào)節(jié)器自動(dòng)切換至手動(dòng)（M）方式。在偏差允許的范圍內(nèi)（15%），允許切入自動(dòng)（A）方式。2. 確定對(duì)可編程序調(diào)節(jié)器的要求?？刂葡到y(tǒng)要求一路模擬量輸入（模入）通道輸入壓力信號(hào)，一路模擬量輸出（模出）通道輸出控制信號(hào)控制壓力調(diào)節(jié)閥。而KMM具有5路模入通道、3路模出通道（其中第一路模出通道AO1可另外同時(shí)輸出一路420mA電流信號(hào)），可滿足本系統(tǒng)控制要求。3. 設(shè)計(jì)控制原理圖（SAMA圖）。根據(jù)控制對(duì)象的特性和控制要

3、求，進(jìn)行常規(guī)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。SAMA圖2SAMA圖例是由美國科學(xué)儀器制造商協(xié)會(huì)（Scientific Apparatus Makers Association）制訂的標(biāo)準(zhǔn)功能圖例，用于控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)功能的表達(dá)。圖例表示了最基本的功能，在設(shè)計(jì)使用時(shí)把某些功能圖例組合在一起，表示某一功能塊或顯示操作器的功能，從而將全部控制功能表達(dá)出來。 圖24、繪制KMM組態(tài)圖并填寫KMM控制數(shù)據(jù)表用所采用的控制儀表制造廠商提供的控制圖例和組態(tài)方法，在控制裝置中實(shí)現(xiàn)控制策略。KMM的組態(tài)方式是填表式組態(tài)方法，要根據(jù)控制要求畫出KMM組態(tài)圖并由組態(tài)圖按KMM數(shù)據(jù)表格式填寫控制數(shù)據(jù)表，為制作用戶EPROM作準(zhǔn)備。（1）

4、繪制KMM組態(tài)圖見圖3圖3（2）根據(jù)KMM組態(tài)圖填寫控制數(shù)據(jù)表。KMM組態(tài)通過填入以下7個(gè)數(shù)據(jù)表格實(shí)現(xiàn)?；緮?shù)據(jù)表(F001-01-)項(xiàng)目代碼設(shè)定范圍代碼數(shù)據(jù)省缺值PROM管理編號(hào)指定的四位數(shù)01 11420運(yùn)算操作周期1、2、3、4、502 2調(diào)節(jié)器類型0、1、2、303 0PV報(bào)警顯示PID編號(hào)1、204 1調(diào)節(jié)器編號(hào)15005 1上位計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)0、1、206 0上位機(jī)故障時(shí)切換狀態(tài)0、107 0PROM管理編號(hào)：作芯片記號(hào)，指定一個(gè)四位數(shù)。（我組編號(hào)為1142）運(yùn)算操作周期：1100ms；2200ms；3300ms；4400ms；5500ms。調(diào)節(jié)器類型：01PID(A/M)1；1P

5、ID(C/A/M)；22PID(A/M)；32PID(C/A/M)。上位計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)：0無通信；1有通信（無上位機(jī)）；2有通信（有上位機(jī)）。上位機(jī)故障時(shí)切換狀態(tài)：0MAN方式；1AUTO方式。輸入處理數(shù)據(jù)表（F002-）項(xiàng)目代碼設(shè)定范圍代碼模擬輸入數(shù)據(jù)缺省值0102030405輸入使用0、101 10按工程顯示小數(shù)點(diǎn)位置0、1、2、302 1工程測(cè)量單位的下限值-99999999030.0工程測(cè)量單位的上限值-9999999904100.0折線編號(hào)0、1、2、3050溫度補(bǔ)償輸入編號(hào)0、1、2、3、4、506 0溫度單位0、107 0設(shè)定（目標(biāo)）溫度-9999999908 0壓力補(bǔ)償輸入編號(hào)

6、0、1、2、3、4、509 0壓力單位0、110 0設(shè)定（目標(biāo)）壓力-9999999911 0開平方處理0、112 0開方小信號(hào)切除0.0100.0(%)13 0數(shù)字濾波常數(shù)0.0999.9s14 0.0傳感器故障診斷0、115 01輸入使用：0不用；1用。按工程顯示小數(shù)點(diǎn)位置：0無小數(shù)；11位小數(shù)；22位小數(shù)；3三位小數(shù)。開平方處理：0直線；0開平方處理。開方小信號(hào)切除：給AI1AI5設(shè)定的開方信號(hào)切除值。傳感器故障診斷：0無診斷；1診斷。PID數(shù)據(jù)表（F003-）項(xiàng)目代碼設(shè)定范圍代碼PID數(shù)據(jù)缺省值0102PID操作類型0、101 0PV輸入編號(hào)1502 2 1PV跟蹤0、103 0報(bào)警滯

7、后0.0100.0(%)04 0.01.0比例帶0.0799.9(%)05 100.0100.0積分時(shí)間0.099.9min06 0.51.0微分時(shí)間0.099.9min070.00積分下限-200.0200.0(%)080.0積分上限-200.0200.0(%)09100.0比率-699.9799.9(%)10100.0偏置-699.9799.9(%)110.0死區(qū)0.0100.0(%)120.0輸出偏差率限制0.0100.0(%)13100.0偏差報(bào)警0.0100.0(%)1410.0報(bào)警下限-6.9106.9(%)150.0報(bào)警上限-6.9106.9(%)16100.0PID操作類型：0

8、常規(guī)PID；1微分先行PID。PV跟蹤：定值跟蹤功能，0無；1有。折線數(shù)據(jù)表（注：本設(shè)計(jì)中此數(shù)據(jù)表未用，可不填寫。）可變變量表可使用百分型可變變量20個(gè)，時(shí)間型可變變量5個(gè)。（F005-） 01(百分型) 02(時(shí)間型)代碼數(shù)據(jù)代碼數(shù)據(jù)010.0 0102100.0020315.003040.0040520百分型數(shù)據(jù)：缺省值為0.0；給定范圍為：-699.0799.9%。時(shí)間型數(shù)據(jù)：缺省值為0.00min；給定范圍為：0.0099.99min。輸出處理數(shù)據(jù)表規(guī)定模擬輸出信號(hào)和數(shù)字輸出信號(hào)從哪個(gè)模塊引出。（F006-）輸出輸出端代碼連接的內(nèi)部信號(hào)名稱信號(hào)名代碼01(模擬輸出)AO101U4U00

9、04AO202SP1P0001AO30302(數(shù)字輸出)DO101DO202DO303連接的內(nèi)部信號(hào)缺省值為U0000。運(yùn)算模塊數(shù)據(jù)表用來規(guī)定模塊的類型及模塊相互之間的連接。（F1-）運(yùn)算模塊編號(hào)運(yùn)算式H1輸入信號(hào)H2輸入信號(hào)P1輸入信號(hào)P2輸入信號(hào)名稱編號(hào)信號(hào)名稱代碼信號(hào)名稱代碼信號(hào)名稱代碼 信號(hào)名稱代碼1PID120SP1P0001AIR2P0402U4U0004OFFP05022LLM11U1U0001PPAR1P01013HLM13U2U0002PPAR2P01024MAN19U3U00035DMS16SP1P0001AI2P0402PPAR3P0103PPAR4P01046NOT30

10、U5U00057OR28MSWP1001U5U00058AND27ASWP1002U6U00069MOD45OFFP0502U7U0007U8U0008OFFP050210111230運(yùn)算模塊編號(hào)：由設(shè)計(jì)人員按模塊調(diào)入順序給出的序號(hào)。運(yùn)算模塊數(shù)據(jù)表參見教材：表4-1。模塊輸入端能用的內(nèi)部信號(hào)參見教材：表4-2 綜上，通過KMM程序?qū)懭肫鲗懭胄酒拇a如下：F001-01-01-1142 F002-02-01-1F002-02-02-2 F002-02-03-0.00F002-02-04-100.0 F002-02-15-0F003-01-01-0 F003-01-04-0 F003-01-05

11、-100.0 F003-01-06-0.5 F005-01-01-0.0 F005-01-02-100.0F005-01-03-15.0 F006-01-01-U0004F006-01-02-P0001 F101-20-H1-P0001 F101-20-H2-P0402 F101-20-P1-U0004 F101-20-P2-P0502 F102-11-H1-U0001 F102-11-H2-P0101 F103-13-H1-U0002 F103-13-H2-P0102 F104-19-H1-U0003 F105-16-H1-P0001 F105-16-H2-P0402 F105-16-P1-

12、P0103 F105-16-P2-P0104 F106-30-H1-U0005 F107-28-H1-P1001 F107-28-H2-U0005 F108-27-H1-P1002 F108-27-H2-U0006 F109-45-H1-P0502 F109-45-H2-U0007 F109-45-P1-U0008 F109-45-P2-P05025. 掌握KMM程序?qū)懭肫鞯氖褂梅椒ú⒂贸绦驅(qū)懭肫鲗?shù)據(jù)寫入EPROM中。具體如下：一、KMM程序?qū)懭肫鞯牟僮鞣椒ǔ绦驅(qū)懭肫骶哂兄谱骺删幊陶{(diào)節(jié)器的用戶PROM所需要的全部功能，還能夠打印出程序的內(nèi)容并具有程序?qū)懭肫鞅旧淼淖栽\斷功能。圖4 KMM程序?qū)?/p>

13、入器（左）及面板（右）程序?qū)懭肫魍庥^見圖4（左）。其鍵盤和顯示單元部分如圖4（右）所示。顯示部分由兩排數(shù)碼管顯示信息，上排數(shù)碼管顯示控制代碼及數(shù)據(jù)，其全部格式見圖5所示。圖5 控制數(shù)據(jù)的代碼下排數(shù)碼管給出數(shù)據(jù)填寫過程中的提示信息或出錯(cuò)代碼。控制代碼及數(shù)據(jù)的內(nèi)容填寫由鍵盤控制。各鍵功能如下（按由上至下，從左到右的鍵盤順序）：READ鍵：把用戶PROM程序讀入寫入器的RAM中。A鍵：選擇增加運(yùn)算單元的功能。C鍵：選擇用戶PROM校核功能，擦除檢查、缺省值讀出和程序?qū)懭肫鞯淖栽\斷功能。例如：C333+ENT(表示輸入C333后按ENT鍵，以下同)，表示進(jìn)行用戶PROM擦除檢查，沒有擦除干凈則顯示“E

14、RROR21”。C444+ENT表示把控制數(shù)據(jù)的缺省值裝入程序?qū)懭肫鞯腞AM。（上電時(shí)自動(dòng)執(zhí)行該功能。）C222+ENT表示進(jìn)行用戶PROM和程序?qū)懭肫鱎AM之間的校核檢查，有錯(cuò)則顯示“ERROR20”。UF鍵：送運(yùn)算單元的單元編號(hào)。F鍵：選擇控制數(shù)據(jù)的寫入功能。WRIT鍵：把程序?qū)懭肫鱎AM中的程序?qū)懭胗脩鬚ROM中。D鍵：選擇刪除運(yùn)算單元的內(nèi)容。L鍵：選擇打印功能。C1鍵：調(diào)用各個(gè)項(xiàng)目碼的第一部分。（在寫入運(yùn)算單元時(shí)，調(diào)用運(yùn)算式的編號(hào)部分。）C2F鍵：調(diào)用各個(gè)項(xiàng)目碼的第二部分。（在寫入運(yùn)算單元時(shí)，調(diào)用輸入信號(hào)部分。）P鍵和U鍵：用于運(yùn)算單元的置數(shù)。DATA鍵：調(diào)用數(shù)據(jù)部分。STOP鍵：停止

15、打印。ENT鍵：確認(rèn)鍵，填入設(shè)置的代碼和數(shù)據(jù)。6. 按控制系統(tǒng)模擬線路原理圖接線。由運(yùn)算放大器構(gòu)成的反饋網(wǎng)絡(luò)模擬控制對(duì)象特性，構(gòu)成控制系統(tǒng)的模擬控制回路。系統(tǒng)原理接線圖如圖6所示。 圖6系統(tǒng)原理接線圖模擬被控對(duì)象由兩個(gè)線性運(yùn)算放大器分別構(gòu)成的積分環(huán)節(jié)和一階慣性環(huán)節(jié)串聯(lián)而成。控制回路中設(shè)定值和測(cè)量值信號(hào)分別送入工業(yè)控制信號(hào)轉(zhuǎn)換器中的A/D模擬量輸入通道1、2中進(jìn)行顯示和記錄。運(yùn)算放大器構(gòu)成的是一個(gè)積分環(huán)節(jié)和一個(gè)一階慣性環(huán)節(jié)相串聯(lián)的反饋回路。對(duì)于一階慣性環(huán)節(jié)，運(yùn)放的反饋網(wǎng)絡(luò)是電阻和電容的并聯(lián)，等效阻抗，輸入網(wǎng)絡(luò)的等效阻抗，這個(gè)放大器構(gòu)成的閉環(huán)特性傳遞函數(shù)，設(shè)定，則。設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)中選取，計(jì)算得這個(gè)慣性環(huán)

16、節(jié)的時(shí)間常數(shù)。對(duì)于積分環(huán)節(jié)，。這樣，被控對(duì)象的傳遞函數(shù)為，是一個(gè)非自衡對(duì)象。7. 進(jìn)行控制參數(shù)調(diào)整，對(duì)控制系統(tǒng)各項(xiàng)功能進(jìn)行模擬測(cè)試并記錄定值擾動(dòng)控制曲線。（1） 上電準(zhǔn)備。（2） 通電。使調(diào)節(jié)器通電，初上電，調(diào)節(jié)器先處于“聯(lián)鎖手動(dòng)”方式。（3） 運(yùn)行數(shù)據(jù)的確認(rèn)。用“數(shù)據(jù)設(shè)定器”來確認(rèn)，對(duì)于運(yùn)行所必需的控制數(shù)據(jù)、可變 參數(shù)等是否被設(shè)定在規(guī)定值。必要時(shí)可進(jìn)行數(shù)據(jù)的設(shè)定變更（4） 按控制面板上的R（Reset，復(fù)位）按鈕，解除 “聯(lián)鎖方式”后，調(diào)節(jié)器可進(jìn)行輸出操作、方式切換等正常的運(yùn)行操作。（5） 組態(tài)工業(yè)控制信號(hào)轉(zhuǎn)換設(shè)備的顯示畫面，以便記錄調(diào)試曲線。（6） 通過“數(shù)據(jù)設(shè)定器”進(jìn)行PI參數(shù)的調(diào)整，使

17、控制品質(zhì)達(dá)到控制要求（衰減率為75%-90%）。記錄定值擾動(dòng)10%時(shí)的動(dòng)態(tài)過程曲線。（7） 打印過程曲線，并對(duì)曲線進(jìn)行特性分析。三、課程設(shè)計(jì)總結(jié)與收獲本次課程設(shè)計(jì)主要是以KMM調(diào)節(jié)器的使用為核心進(jìn)行控制方案的設(shè)計(jì)和控制系統(tǒng)的模擬實(shí)現(xiàn)。作為組長，我和小組成員經(jīng)過討論，認(rèn)為“除氧器水位單回路控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)”這個(gè)課題在書中實(shí)例的基礎(chǔ)上做了一些拓展，比后面幾個(gè)課題的難度略小，比較適合我組成員的整體水平，故選擇了該課題；這次的課程設(shè)計(jì)給我留下的印象也非常深刻，由于之前沒有接觸過表格式的程序語言，對(duì)KMM可編程調(diào)節(jié)器的了解也并不深入，所以只有反復(fù)研究任務(wù)設(shè)計(jì)書，理解任務(wù)設(shè)計(jì)書中的關(guān)鍵步驟。當(dāng)然這樣并不夠，我

18、們小組還提前去實(shí)驗(yàn)室觀察其他班同學(xué)做實(shí)驗(yàn)，之前看書時(shí)存在的一些疑惑也得到了充分的解答，例如模擬機(jī)上的積分環(huán)節(jié)部分反饋電阻一端為什么要接-3V電壓，如何檢查電路是否存在故障等等。由于前期的準(zhǔn)備較充分，在實(shí)驗(yàn)室上機(jī)操作時(shí)總體上還是比較順利的，當(dāng)然也仍然存在著一些問題。下面我總結(jié)一下我們組在這次課程設(shè)計(jì)中遇到的幾個(gè)令人印象深刻的問題。首先在電路接線首次完成后，進(jìn)行調(diào)節(jié)的過程中，采用手動(dòng)方法無論調(diào)節(jié)閥開度給多大，測(cè)量值始終為下限值。經(jīng)萬用表測(cè)量，發(fā)現(xiàn)積分環(huán)節(jié)輸出超過4V，一階慣性環(huán)節(jié)輸出接近0V。初步懷疑模擬被控對(duì)象部分線路接觸不良或運(yùn)放損壞。在更換一組運(yùn)放后繼續(xù)調(diào)試，測(cè)量值隨閥門開度增大而上升，問題

19、解決。其次，當(dāng)設(shè)定值給定以后，偏差大于15%時(shí)，由于被控對(duì)象的無自平衡特性，手動(dòng)控制很難調(diào)節(jié)使對(duì)象達(dá)到穩(wěn)態(tài)，必須手動(dòng)調(diào)節(jié)閥門令測(cè)量值緩慢地接近設(shè)定值，并當(dāng)偏差在允許范圍內(nèi)時(shí)立即切換到自動(dòng)方式，否則測(cè)量值可能會(huì)不停上升或下降至偏差超過允許范圍，這樣就無法切換到自動(dòng)狀態(tài)，或者即使切換到自動(dòng)方式也會(huì)馬上跳回手動(dòng)方式。最后是手動(dòng)在線整定PID參數(shù)的問題。在最初寫程序的時(shí)候，借鑒Matlab仿真程序的結(jié)果，PID初始參數(shù)設(shè)定為=100%，TI=0.5min，在實(shí)驗(yàn)過程中通過給定值10%階躍擾動(dòng)觀察實(shí)驗(yàn)輸出曲線的特性。通過微調(diào)后確定PID參數(shù)為=96%，TI=0.55min。此時(shí)衰減率達(dá)到88%，穩(wěn)態(tài)誤差為0，看似比較理想。然而我們忽略了調(diào)節(jié)時(shí)間這個(gè)指標(biāo)。經(jīng)過韋老師的指點(diǎn)，我們意識(shí)到所得的輸出曲線并不完美，就是因?yàn)檎{(diào)節(jié)時(shí)間太長，超過了40秒。這是由于比例帶和積分時(shí)間取得太大，使得比例作用和積分作用太弱，從而過渡過程時(shí)間較長。另外由